大型水轮发电机冷却方式的选择

电流增大， 转子用铜量增大， 使制造成本增加。短路比 主要根据电站输电距离、 负荷变化情况等因素提出， 一 般水轮发电机的 # $取 & #’ ( !# )。 短路比近似为 , -! #$ ! （ & . ) / & . *） 0 -" 式中： — —气隙长度； !— — —极距； "— ,— — —气隙磁密； 0— — —发电机电负荷。 可见， 要使 #$ 增大， 须减小 0， 即增大机组尺寸， 或加大气隙长度， 须增加转子绕组安匝数。水内冷发 电机为了不使 #$ 过于减小， 一般选取较空冷 机组大 的气隙。故水冷发电机的励磁损耗要大于空冷机， 因 而需要增加励磁设备的费用。 + # 直轴瞬变电抗 *1+ 对发电机的动态稳定极限及 突然加负荷时的瞬态电压变化率有 很大影响， *1 + 越 小， 动态稳定极限越大、 瞬态电压变 化率越小， 但 *1 + 越小， 定子铁心要增大， 从而使发电机体积增大、 成本 增加。 *1+ 的值主要由定子绕组和励磁绕组的漏抗值 决定。 *1 + 与电负荷 0、 极距" 有如下关系： 0$ !*&$ - " 可见， 要降低 *1 + ， 必须减小 0 或加大 都将使发 "， *1+ ( 电机尺寸增大。空冷机组由于 0 比水冷机组小， 相对 容易满足电力系统的要求。
结构简单， 制造上比较容易实现。目前大型发电机不 再采用在工厂组装分瓣， 然后运到工地合缝安装的方 式， 而采用在现场叠片组装的安装方式， 空冷机组具有 安装工艺要求相对比较简单、 安装周期短的优势。目 前世界上包括我国在内的较多的厂家都具有制造大型
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大型水轮发电机冷却方式的选择
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表 ! "##$% 以上已投运水轮发电机主要参数及冷却方式
电站名称 型式 额定出力（ ,-） 额定转速（ 2 3 456） 飞轮力矩（ 784$ ） 短路比 *1 + 定子铁心高（ +4） 冷却方式 $11) 空冷 中国 二滩 半伞式 ..! !*$ # ’ 美国 大古力 半伞式 /&& 0$ *$’&&& !# $& &# $’ )*1& 空冷 巴西 依泰普 半伞式 0&& ’& #’ )$1&&& ! # !1 &#) ).&& 定子水冷 委内瑞 拉古里 ! 半伞式 /)& !!$ # . !..&&& ! #! & # )!. )1&& 空冷 俄罗斯萨彦 俄罗斯克拉斯 舒申斯克 伞式 /*& !*$ # 1 !&$&&& !# ! & # *$* $0.& 定子水冷 &# /0 &# *) !1.& 定子水冷 &#* )&.& 定子水冷 & # )! )&.& 空冷 空冷 双水内冷 & #$/ 诺雅尔斯克 半伞式 .&& ’) # 1 俄罗斯 罗贡 半伞式 /&& !//# 0 加拿大 瑞典斯 德国 布莱梅 半伞式 .01 !$. !)&&&& 丘吉尔瀑尔 普兰格特 半伞式 *0. $&& ))1&& 半伞式 *0. !&0
说明： 表中两种冷却方式各半， 但古里 ! 电站最大容量可达 1&.,9:， 而仍采用空冷。
（ $） 空冷机组和水冷机组的技术经济比较 空冷机组： 全空冷的发电机具有运行可靠、 操作简 单、 维修方便的优点。从以上主要参数的比较中可见， 空冷机组从制造上考虑其参数较好， 额定点的效率略 高。没有水冷机的如定子水接头、 水处理等附属设备，
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从设计制造角度选择冷却方式
空气冷却在水轮发电机中是最简单的方式， 其设 计制造都较水冷容易， 电气参数也容易满足要求。但 单机容量的增大也使单位体积的损耗增大， 从而使散 热困难。理论上， 空冷机组是有一个极限容量的。 采用水内冷方式， 绕组的热量直接由水带走， 水的 体积热容量为空 气的 "-## 倍， 导 热系数为空气 的 $" 倍， 因此水冷却的效果是不言而喻的。显然， 水内冷发 电机有效部分的发热不是限制容量的主要因素， 其极 限容量主要是由电气参数来确定， 如短路比、 直轴瞬变 电抗及限制定、 转子铜耗， 使满载时的效率不低于空冷 发电机等。水内冷机组的极限容 量可达空冷机 组的 ’L - N $ 倍。全空冷的发电机尺寸比同容量的水 冷发 电机要大 $-O 左右。 由于水电站的自然条件和工作状况各不相同， 因 此， 水轮发电机的容量和转速的变化范围很大， 而水轮 发电机的额定 容量是综合考虑了电站水能的有 效利 用、 机组制造的可能性和经济性、 机组实际运行可 行 性、 电站的检修和布置等条件来确定的。其中主要参 数的选择是很重要的， 发电机的参数与发电机的整体
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大电机技术
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结构是分不开的， 冷却方式的选择则限定了参数水平 （ 见表 !） 。 （ !） 大型机组与冷却方式相关的几个主要参数 主要参数的选择首先应满足系统安全可靠的运行 要求， 又要使结构经济、 合理。 " # 飞轮力矩 !"$ 是发电机转动部分的重量与其 惯性直径平方的乘积， 看起来它是一个与电气参数无 关的量， 其实不然， 它对电力系统的暂态过程和动态稳 定影响很大。当电力系统发生故 障机组突然甩 负荷 时， 因调速机构的时滞， 使机组转速升高， 为限制转速， $ $ 需一定的 !" ， 机组转速变化率越小， 电力 !" 越大， 系统的稳定性就越 好。同时， 机组重量 越 !"$ 越大， 大、 制造成本越大。故一般电站的设计对 !"$ 的值均 有要求。对空冷机组， 则该参数容易满足。水冷机组 在一定条件下也能满足， 但如果电力系统的要求过大， 则水冷机组无法满足要求， 从这一点来看， 空冷机组优 势明显。 %# 短路比 #$ 可表达为发电机空载额定电压时的 励磁电流 % &’ 与三相稳态短路电流为额定值时的励磁 电流 % &# 之比。 # $ ( %&’ ) %&# ! ! ) * + 如忽略磁饱和的影响， 则短路比与直轴同步电抗 互为倒数。短路比小， 说明同步电抗大， 此时短路电流 小， 但是负载变化时发电机的电压变化较大且并联运 行时发电机的稳定度较差。短路比大则可提高发电机 在系统运行中的静态稳定性。但 #$ 大使发电机励磁
!"#$ %&’()$ ’* %’’+(,- !$",. *’/ 0"/-$ 123/’-$,$/"4’/. ./ 012)345 （ 617894:; <=>?9@9A1? BC;5D， .2E8;5F !!"##$， G825;） 56.4/")4： G95H2>1? ; I41HD295 9J E99C25F K1;5H J9? C;?F1 8=>?9F151?;D9?H 25 ;CC 2DH ;H@1EDHL M@1?;D295H ;5> K;25D15;5E1H 9J A;D1?)E99C1> F151?;D9?H ;?1 25D?9>4E1> 25 D82H @;@1?L 7$2 8’/3.： 8=>?9F151?;D9? ； A;D1?)E99C1>； ;2?)E99C1> 系统稳定、 电厂的运行和维护成本及可行性， 影响范围 广泛。正因如此， 才有对发电机采用空冷或水冷方式 的争议， 因而对大型机组的冷却方式的选择进行探讨 是很有必要的。
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表 ! 两种不同冷却方式下某发电机的尺寸和重量
各厂家 冷却方式 厂家 ! 厂家 ’ 厂家 / 厂家 # 厂家 % 空冷 定子水冷 空冷 定子水冷 空冷 定子水冷 空冷 定子水冷 空冷 定子水冷 额定电压 定子铁心 定子铁心 定子重量 转子重量 （ （ ,-） 内径（ +） 长度（ +） （ )） )） !. ’( !. !. !. !. !. !. !. !. !. !.0 % !20 ’ !2 0(%’ ’! ’( !10 % !.0 % !2 !2 / 0 $$$ ’ 0 2($ ’ 0 2$$ ’0 %/ /0 (% ’0 2 /0 #2 ’0 $$ ’0 .% ’0 %% 2%( .!( 1(% %.( 1%( $’( .12 11# !21( !.12 !#2$ !%1$ !$%( !#/( ’!(( !..( ’!.( ’!((
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前言
随着电力系统容量的不断扩大， 机组单机容量也
不断增大， 这给电力生产提供了极大的便利。但发电 机单机容量的增大， 也给电机设计、 制造及运行维护带 来了一系列新的问题， 电机的冷却方式， 即是较为突出 的一个。发电机的发热随容量的增加而愈发严重， 成 为容量增加的主要障碍。 水轮发电机的冷却方式也有很多种， 但对大型水 轮发电机而言， 目前仅限于利用空气和洁净的水作为 冷却介质来进行冷却， 而其余的方式则未有成熟的运 行经验。水轮发电机在 "##&0 及以下， 利用空气作冷 却介质对定子、 转子绕组及定子铁心表面进行冷却， 仍 然是目前采用的主要冷却方式。随着单机容量的增长 如达到 -##&0 及以上时， 定、 转子热负荷不断提高， 对 冷却方式提出了更高的要求。于是， 水内冷自然成为 目前除空冷以外的最好方式。水内冷的方式有： 定、 转 子绕组均直接通水冷却（ 即“ 双水内冷” ） ； 定子绕组直 接通水冷却、 转子绕组加强空气冷却； 国内外已投运的 采用双水内冷的机组只 -##&0 以上的大型发电机中， 有一台， 而采用空冷的机组和采用水冷的机组几乎各 半。可见， 双水内冷的方式因技术、 成本、 可行性的原 因基本上不再采用。水冷和空冷各有利弊， 并非一目 了然可以轻松解决的事情， 冷却方式一旦选定， 即再也 无法更改， 它的选择牵涉到厂房设计、 机组造价、 电力